Термоэлектрические лазерные датчики (рис. 1) используются для измерения мощности лазера от нескольких мкВт до нескольких Вт (см. раздел 2.4) . [2] Входящее излучение лазера преобразуется в тепловую энергию на поверхности. [3] Этот подвод тепла создает градиент температуры поперек датчика. Используя термоэлектрический эффект, этот градиент температуры генерирует напряжение . Поскольку напряжение прямо пропорционально входящему излучению , его можно напрямую связать с мощностью облучения (см. раздел 2.1) .
В отличие от фотодиодов , термоэлектрические датчики могут использоваться для широкого спектра длин волн от УФ до ближнего ИК (в зависимости от характеристик поглощающего покрытия на разных длинах волн). [4] [5] Кроме того, фотодиоды имеют обратное смещение и насыщаются при оптической мощности выше определенного значения (обычно в мВт), [6] что делает термоэлектрические датчики подходящими для измерений высокой мощности. [2]
Пироэлектрический датчик и калориметр обычно используются для измерения энергии лазерных импульсов. [7] Пироэлектрический датчик может измерять низкие и средние энергии (от мДж до Дж ) и подвержен микрофонному эффекту . [7] Калориметры способны измерять высокие энергии (от мДж до кДж), но имеют большое время отклика. [7]
Как показано на рис. 2, термобатарейный лазерный датчик состоит из нескольких термопар, соединенных последовательно, причем один тип спая (горячий спай при температуре T 1 ) подвергается воздействию области поглощения, а другой тип спая (холодный спай при температуре T 2 ) подвергается воздействию теплоотвода. Когда лазерный луч попадает на поверхность термобатарейного датчика, падающее излучение поглощается слоем покрытия и преобразуется в тепло. Затем это тепло вызывает температурный градиент поперек датчика, заданный как
[К/м],
где t — толщина датчика. [9]
Из-за термоэлектрического эффекта разница температур приводит к тому, что внутри каждой термопары нарастает электрическое напряжение. Это выходное напряжение прямо пропорционально мощности входящего излучения. [10] Поскольку большое количество термобатарей обычно соединено последовательно, достигаются напряжения от нескольких мкВ до В.
В общем случае термобатарейный датчик состоит из трех элементов: поглотителя, чувствительного элемента и охлаждающего корпуса для рассеивания поступающего тепла.
В зависимости от толщины поглощающего слоя термобатарейные датчики можно разделить на две категории. [11]
Для поверхностных поглотителей толщина поглощающего слоя очень мала (0,1–100 мкм), как и общая длина поглощения . [11] Он используется для измерения мощности лазеров с большой длительностью импульса (обычно для лазеров непрерывного действия). Если используется лазер с длительностью импульса в диапазоне 10−7–10−4 с , датчик может быть поврежден либо пробоем диэлектрика, либо термическими эффектами. [12] В случае термического повреждения тепло выделяется в течение короткого времени и не может быть рассеяно до прихода следующего импульса. Это приводит к накоплению энергии в тонком слое, что приводит к частичному испарению. [ 11] Для пробоя диэлектрика пиковая плотность энергии во время импульса достаточно высока, чтобы локально ионизировать поверхность датчика. [13]
Для защиты датчика от повреждений короткими оптическими импульсами используются объемные поглотители с длиной поглощения порядка миллиметров. [11] Это позволяет объемным поглотителям выдерживать более высокие плотности энергии импульса, поскольку оптическая мощность поглощается на значительной глубине материала. [11]
Существует два основных типа термоэлектрических лазерных датчиков, которые можно классифицировать в зависимости от геометрического расположения термопар внутри чувствительного элемента.
Термобатарейные диски имеют термопары, нанесенные на алюминиевую пластину в радиальном расположении, как показано на рис. 3(a). [8] Все термопары электрически соединены последовательно с одним спаем на окружности внутренней области, которая освещается, и другим спаем на внешней окружности. [8] Поглощающее покрытие в освещенной области преобразует излучение в тепло, которое течет радиально наружу, создавая температурный градиент между внутренним и внешним кольцом и, таким образом, термоэлектрическое напряжение. [8]
Рис. 3(b) показывает поперечное сечение осевого датчика, где устанавливается разность температур между верхней и нижней поверхностями. Термопары встроены в матрицу и выровнены параллельно относительно теплового потока, образуя спаи сверху и снизу. [8] Такое расположение позволяет уменьшить общую толщину датчика до 0,5 мм (рис. 4). [8]
Крайне важно рассеивать поступающее тепло, чтобы установить стабильный температурный градиент на датчике. [15] Поэтому холодная сторона датчика должна быть термически связана с радиатором .
При этом методе охлаждения холодная сторона датчика монтируется на теплопроводнике (обычно алюминиевом радиаторе), а тепло рассеивается в окружающую среду посредством теплопроводности (через теплопроводник) и конвекции (поток воздуха). [15]
При этом методе охлаждения тепло активно передается в окружающую среду. Обычно это делается путем установки вентилятора на радиатор пассивно охлаждаемого детектора или путем прокачки воды через систему каналов для охлаждения датчика. Предпочтительный выбор зависит от количества рассеиваемого тепла и, следовательно, от мощности детектора.
Чувствительность S [В/Вт] представляет собой отношение напряжения U [В], генерируемого из-за падающей мощности лазера P [Вт] на датчике. Генерируемое напряжение зависит от коэффициента Зеебека термоэлектрического материала; следовательно, это константа, специфичная для материала. [9] Падающую мощность можно рассчитать, измерив напряжение датчика и используя формулу:
[В].
Эффективная чувствительность зависит от поглощающей способности слоя покрытия. При постоянной мощности падающего лазера больший коэффициент поглощения означает большее выделение тепла [16], что приводит к увеличению выходного напряжения.
Спектральный диапазон зависит от характеристик поглощения материала покрытия. [17] Обычно требуется плоский спектр поглощения в широком диапазоне длин волн. Он также может быть адаптирован к диапазону длин волн или к определенной длине волны.
Время нарастания сигнала — это время, необходимое датчику для достижения 95 процентов полной амплитуды сигнала при воздействии ступенчатой функции мощности падающего лазера. Оно зависит от общего теплового сопротивления и тепловой емкости датчика. [11] Величина этих двух параметров зависит от материалов и геометрии детектора [11] Время нарастания для осевых датчиков обычно короче, чем для радиальных датчиков, поскольку осевые датчики обладают меньшей тепловой массой и тепловым сопротивлением. [8] Разница может составлять от 5 до 10 раз и показана на рис. 5. [8]
Максимальная мощность, которую можно точно измерить, зависит от типа датчика, свойств его материала и типа используемого охлаждения (см. раздел 1.3) . [12] Неправильные измерения или даже ухудшение работы датчика могут возникнуть из-за слишком большой освещенности. [12]
Максимальная плотность мощности лазера для датчика определяется порогом повреждения материала покрытия, вызванного лазером. [13] Пороговое значение зависит от длины волны лазера, длительности его импульса и, в определенной степени, от структуры поглощающей поверхности [13].
Чувствительность датчика меняется в зависимости от средней температуры датчика. Это связано с температурной зависимостью коэффициента Зеебека (см. раздел 2.1) . [18]
Поскольку зависимость квазилинейна, температурную погрешность можно скорректировать, умножив измеренное значение на поправочный коэффициент, зависящий от температуры [19]
Если температура датчика отличается от температуры окружающей среды, тепло течет непосредственно в окружающую среду, не внося вклад в обнаруженный градиент температуры, тем самым эффективно снижая выходной сигнал датчика. [20] Этот тип ошибки составляет порядка нескольких мВт и, таким образом, имеет значение только при низких мощностях падающего излучения [20]
Фоновую ошибку можно минимизировать, поддерживая датчик при температуре окружающей среды и избегая конвективных потоков воздуха. Ее также можно исправить, вычитая сигнал неосвещенного датчика (темновое измерение). [19]
Термоэлектрические лазерные датчики находят свое применение в основном там, где требуется чувствительность к широкому спектральному диапазону или где необходимо измерять высокую мощность лазера. Термоэлектрические датчики интегрируются в лазерные системы и лазерные источники и используются для спорадического, а также непрерывного контроля мощности лазера, например, в контурах управления с обратной связью. Некоторые из приложений
Согласно стандарту ЕС (EN6001-1-22), каждая медицинская лазерная система должна быть оснащена резервным блоком измерения мощности. Для таких процедур, как точное разрезание тканей и абляция, мощность лазера может быть измерена до операции или даже непрерывно в течение всего процесса. Одним из возможных способов интеграции термобатарейного датчика в медицинскую систему является использование затвора или отражателя луча (рис. 6), который может быть перевернут в траекторию луча и из нее для коротких периодов измерения полной мощности лазера. [21]
Производственные процессы требуют точности и воспроизводимости. Для лазерной обработки материалов мониторинг мощности лазера полезен, поскольку он позволяет избежать производства брака и производить высококачественную продукцию.
Существуют различные способы интеграции измерения мощности. На рис. 6 показано интегрирование в траекторию луча за расщепителем луча. На рис. 7 показан вариант установки детектора за задним зеркалом лазерного резонатора для непрерывного мониторинга. Потери луча далее по траектории луча, вызванные, например, ухудшением оптики, не отображаются в этом типе компоновки.
В качестве альтернативы детекторы могут использоваться для спорадических измерений на выходе лазерной системы. Обычно в этом случае измеряется полный пучок. [21]
Для спорадических измерений вне лазерной системы (например, во время обслуживания) выгоден отдельный измерительный блок. Для такого измерителя мощности элемент датчика обычно интегрируется в металлический корпус для механической и термической стабильности. Сигнал регистрируется и обрабатывается в считывающем устройстве, которое отображает измеренную мощность лазера (рис. 8). [21]
Короткоимпульсные лазеры, которые используются в спектроскопии и оптической связи, можно измерять с помощью термоэлектрических датчиков, поскольку они обладают высокими порогами лазерно-индуцированных повреждений, особенно при оснащении объемным поглотителем (см. раздел 2.5) .
Расположение нескольких термопарных датчиков, подобных конструкции квадрантного фотодиода (рис. 9), может использоваться для определения положения луча, а также мощности луча. Это полезно для целей выравнивания луча или для процессов, где правильное положение луча имеет решающее значение для высокой производительности. [21]
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )